有限元分析中常用的焊接单元

焊接是金属结构常用的连接方式，焊接的形式有多种，如车身常用的电阻焊有四种类型：点焊、缝焊、凸焊、对焊。建立一种高精度和高效率的焊点模型对于提高焊接结构的有限元仿真精度非常重要。有限元中常用的焊接单元有：刚性梁单元、可变形梁单元、实体单元、Cweld单元、ACM2单元。

1、刚性梁单元（RBE2）

刚性梁单元（RBE2）是有限元分析中非常常用的一种模拟焊接连接方式的单元，采用刚性单元RBE2在一个主节点、一个从节点的连接部位建立刚性连接单元，使主节点和从节点具有相同的位移，以此来模拟两个部件焊接在一起。这种连接方式需要考虑网格对齐，保证刚性梁单元垂直于所连接的面。优点是：建模快速。缺点是：增大了局部刚度过大，可能会出现应力集中现象；严重依赖网格对齐，不适用于焊点很多的白车身焊点建模。下图所示为在Hypermesh中采用RBE2刚性单元进行的两个部件之间的焊接。

2、可变形梁单元

与刚性梁单元相似，不同之处在于可变形梁单元可赋予材料类型和截面属性。优点：比刚性梁更符合焊点实际受力。缺点：依赖对齐的网格，焊核处失效行为难以模拟。

3、CWELD单元

CWELD是一种具有特定的剪切柔性的梁单元。下图所示为Hyperworks/OptiStruct帮助文件中对CWELD单元的描述，GA、GB定义焊点中心，并非真实的节点，GA-GB的距离为焊核的长度；GA、GB定义焊件面上4个辅助点，GAH1~4、GBH1~4，围成的四边形面积就是焊点的截面积。Cweld单元可实现节点对节点的连接（GA-GB/ALIGN）、节点与单元的连接（GS/GRIDID）、单元与单元的连接 （GA-GB/ELEMID）。

CWELD单元的优点：建模简单，不需要网格的对齐，能满足不协调网格的要求，准确模拟焊点的位置，可实现点对点、点对面、面对面的连接，模拟精度较高。

4、实体单元模型

实体单元是一种精细化的焊点模型， 母材采用壳单元，焊核采用六面体单元，可以定义焊点的材料、形状、直径以及焊核网格精细程度。优点：实体单元为圆柱状，与焊核形状接近，能较为真实的模拟焊点。缺点：需要局部的网格细化，增加了网格数量和建模难度。

实体单元焊点受力模型如下图所示，弯曲、扭转、剪切参数控制焊点的失效。普通的梁单元跟每层壳单元仅有一个节点接触，只能传递垂向力，而不能传递扭矩，无法模拟焊点的真实受力。这是梁单元没有实体单元模拟精度高的原因。

5、Brick单元

Brick单元为壳单元和六面体单元共节点连接。优点：模拟精度高。缺点：壳单元网格需对应，网格质量要求很高。

6、ACM2单元

ACM2单元是一种组合单元焊点模型，由六面体单元HEXA和连接单元RBE3构成。上下两层板之间建立一个六面体模拟焊核，六面体各个节点通过RBE3单元与上下两层板四个节点连接。焊核的载荷通过RBE3单元传递到壳单元，载荷大小由RBE3权重决定。优点是：可以精确的模拟焊点的位置，焊点模型不依赖与附近的网格形式，建模快捷。缺点是：引入了实体单元，计算量大。

对以上六种模拟焊点的单元优缺点汇总如下：